織構對含鉺鋁合金疲勞裂紋擴展行為的影響

雷 欣，聶祚仁，黃 暉，文勝平

（北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124）

0 引 言

鋁鎂系合金是一種重要的鋁合金，具有中等強度、較好的塑性和韌性、良好的耐蝕和焊接性，廣泛應用于航空、船舶和國防工業[1-3]。

以微合金化的方法向鋁鎂系合金中引入鈧、鋯、餌等微量元素可提高合金強度。由于鋁鎂系合金經常處于疲勞工作條件下，這些微量元素的引入對其耐疲勞性能是否有影響，引起了人們的關注[4-5]。Watanabe[6]和Roder[7]等研究發現，在鋁鎂合金中加入鈧，會影響合金的晶粒尺寸，使合金的疲勞裂紋擴展速率出現了明顯的改變。Fuller[8]等研究發現，稀土元素鈧在5754鋁合金中形成不同的第二相粒子，從而影響了合金疲勞裂紋的擴展速率。Li[9-10]等認為，在鋁鎂鈧合金中，Al3(Sc,Zr)粒子可阻止合金疲勞裂紋的擴展，而Al6Mn第二相粒子會加速合金疲勞裂紋的擴展。鈧的價格相對較貴，而與鈧類似的鉺卻很便宜，因此聶祚仁[11-12]等在鋁鎂合金中添加鉺元素，發現餌在合金中的作用跟鈧類似，可有效地提高了鋁鎂合金的強度，同時還大幅降低了成本。

但目前對含鉺的鋁鎂系合金疲勞性能方面的研究并不多。為此，作者針對不同軋制及熱處理工藝狀態下的含鉺鋁鎂系合金，進行疲勞裂紋擴展速率測試，通過觀察和分析疲勞裂紋在合金板材中擴展路徑和合金織構的關系，研究了合金板材中織構對疲勞裂紋擴展行為的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗合金為含鉺鋁合金板材，其化學成分（質量分數/%）為6.11 Mg,0.50 Mn,0.20 Er,0.18 Zr，余Al。將合金鑄錠于470℃保溫20 h進行均勻化退火，退火結束后進行熱軋，熱軋溫度為410℃，下壓量為80%，得到10 mm厚的熱軋板材；再將此熱軋板材于 350℃保溫2 h，空冷后進行60%下壓量的冷軋，得到4 mm厚冷軋板材；將4 mm厚板材分別進行如下處理：于350℃保溫2 h（完全退火O狀態）、170℃保溫2 h（中溫退火H32狀態）、230℃保溫6 h后以25%壓下量冷軋(中溫退火加冷軋H116狀態)，最后全部空冷至室溫。

疲勞裂紋擴展速率的測試采用中心裂紋M(T)試樣，具體尺寸如圖1所示。沿軋制方向取樣及加載。測試規程按照GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》。加載正弦波，應力比R為0.1，頻率為15 Hz，試驗條件為室溫，大氣環境。

采用S-3400NⅡ型掃描電鏡(SEM)對疲勞裂紋擴展路徑進行觀察；用體積分數為10%的HClO3和90%的乙醇溶液對試樣進行電解拋光，通過電子背散射衍射(EBSD)儀對含鉺鋁鎂合金板材進行微觀組織觀察，根據板材中各晶粒的取向進行微觀織構分析，重點分析等典型軋制織構的分布情況，并利用晶粒取向與軸向載荷之間的關系，對板材中裂紋周邊區域進行Schmid因子分析。

圖1 M(T)試樣的尺寸Fig.1 Geometry of the M(T) specimen

2 試驗結果與討論

2.1 疲勞裂紋擴展速率

疲勞裂紋擴展速率da/dN隨應力強度因子幅值ΔK的變化曲線如圖2所示，曲線分為三個階段：近門檻值區、Paris區和瞬斷區。從圖2可以看出，三種不同熱處理狀態鋁合金板材的疲勞裂紋擴展在近門檻值區的區別不大，基本處于應力強度因子幅值ΔK=8 MPa·m1/2以下，疲勞裂紋擴展速率范圍為10-5～10-4mm·周次-1，但在近門檻值區其疲勞裂紋擴展速率的增速均較快，疲勞裂紋擴展速率曲線的斜率也都比較大。在疲勞裂紋擴展第二階段的Paris區，其裂紋呈現穩態擴展，并且從該區域開始H116態鋁合金板材的疲勞裂紋擴展速率最快，H32態居中。就曲線斜率來看，O態鋁合金板材的，在這一階段是最小的，H116態鋁合金板的則較大。進入瞬斷區后，三種鋁合金板材的裂紋很快失穩擴展，板材發生瞬間斷裂。

圖2 不同熱處理狀態鋁合金板材的疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅值的關系曲線Fig.2 Fatigue crack propagation rate vs stress intensity factor range(△K) for Al alloy plates under different heat treatment conditions

2.2 疲勞裂紋的擴展路徑

從圖3可見，不同熱處理狀態下鋁合金板材的疲勞裂紋擴展路徑區別較大。H116狀態合金板材的疲勞裂紋擴展路徑基本保持平直；H32狀態合金板材的裂紋擴展路徑稍有偏折，但明顯不如O狀態合金板材偏折厲害；O狀態合金板材的疲勞裂紋擴展路徑非常曲折，裂紋偏折的幅度也較大。在疲勞裂紋擴展過程中，裂紋偏折得越厲害，則其擴展所消耗的能量就越大，裂紋擴展路徑就越長，疲勞裂紋擴展也會越困難，擴展速率也就越慢；反之，裂紋擴展路徑越平直，擴展過程中所消耗的能量就越小，擴展路徑也就越短，裂紋擴展速率也會越快。所以O狀態鋁合金板材的疲勞裂紋擴展速率應該是最慢的，H116狀態鋁合金板材其疲勞裂紋擴展速率是最快的。這與前面討論的疲勞裂紋擴展速率結果一致。

圖3 不同熱處理狀態鋁合金板材的疲勞裂紋擴展路徑Fig.3 Fatigue crack paths of Al alloy plates under different heat treatment conditions:(a) H116 state；(b) H32 state and(c) O state

2.3 疲勞裂紋擴展路徑上的Schmid因子

利用EBSD儀對疲勞裂紋擴展路徑及周圍區域進行分析，根據各個晶粒的不同取向得到該區域的Schmid因子分布圖。由圖4可見，無論是裂紋擴展路徑最曲折的O狀態鋁合金板材，還是裂紋擴展路徑較為平直的H116狀態合金板材，其裂紋都傾向于沿著Schmid因子較大的方向擴展。

Schmid因子越大，取向越軟，滑移所需的軸向應力也越小，即最容易滑移，裂紋傾向沿Schmid因子大的方向擴展，也就是裂紋傾向于沿所需軸向應力較小的最易滑移面運動[13]。但裂紋沿最易滑移面運動時，對于不同取向的晶粒，在同一個外力作用下，其滑移面和滑移方向各有不同，裂紋從一個晶粒的滑移面向另一個晶粒的滑移面擴展時，就需要改變一定的方向繼續向前進行擴展，那么裂紋就會發生一定的偏折。

圖4 不同狀態鋁合金板材的Schmid因子分布Fig.4 Schmid factor distribution in Al alloy plates under different heat treatment conditions:(a) H116 state；(b) H32 state and(c) O state

2.4 織構對疲勞裂紋擴展速率的影響

由圖5和表1可見，H116和H32狀態鋁合金板材內部的晶粒取向均出現不同程度的擇優取向，晶粒表現出各向異性；其中H116狀態鋁合金板材的軋制變形量較大，出現了大量典型的軋制板織構，如；H32狀態鋁合金板材也出現了典型的軋制織構，但含量少于H116狀態的O狀態鋁合金板材中晶粒分布呈各向同性，幾乎沒出現擇優取向。

圖5 不同熱處理狀態鋁合金板材中織構分布形貌Fig.5 Distribution of texture in Al alloy plates under different heat treatment conditions:(a) H116 state；(b) H32 state and(c) O state

表1 不同熱處理狀態鋁合金板材中各織構類型的含量（面積分數）Tab.1 Contents of different types of texture in Al alloy under different heat treatment conditions(area) %

由圖6可見，存在大量織構的H116狀態鋁合金板材中，由于其內部晶粒擇優取向，所以相同織構內晶粒取向基本相同，大多數晶粒的取向差角都較小，相同織構內晶粒的滑移面取向也不會偏差太大。裂紋沿著滑移面運動時，由于晶粒間的取向差角較小，相鄰晶粒滑移面的取向差角也小，裂紋從一個晶粒擴展到另一個晶粒時，則不需要發生太大的偏折，裂紋擴展路徑會表現得較為平直。較小的裂紋偏折降低了能耗，縮短了裂紋擴展路徑，導致疲勞裂紋擴展速率較快。

與H116狀態鋁合金板材相比，H32狀態鋁合金板材中織構較少，含較大角度取向差角也較多。相鄰晶粒取向差角大，裂紋在兩晶粒間擴展就需要發生較大的偏折[14]，取向差角大的晶粒數量越多，裂紋擴展所發生的偏折次數越多。H32狀態鋁合金板材中取向差角較大的晶粒較H116狀態的多，裂紋發生偏折也會多一些，所以裂紋路徑也不如H116狀態的平直，且偏折較多，耗能較大，裂紋擴展路徑較長，所以疲勞裂紋擴展速率也會較H116狀態的慢。

O狀態鋁合金板材中幾乎沒有織構存在，各晶粒取向隨機分布，不存在擇優取向，所以兩相鄰晶粒間取向一般不會太相似，晶粒間取向差角多數較大。O狀態鋁合金板材中，取向差較大的晶粒多，則裂紋發生較大的偏折的次數也越多，裂紋擴展路徑也最為曲折，裂紋擴展所消耗能量大且擴展路徑也最長，所以疲勞裂紋擴展速率也最慢。這與之前疲勞裂紋擴展速率測試結果相一致。

2.5 疲勞裂紋擴展模型

三種不同狀態板材的疲勞裂紋擴展模型如圖7所示。H116狀態鋁合金板材中織構含量最多，疲勞裂紋擴展速率較快，如圖7(c)所示；H32狀態鋁合金板材中也含有織構，但含量少于H116狀態板材的，所以疲勞裂紋擴展速率較H116板材要慢，如圖7(b)所示；O狀態鋁合金中幾乎沒有大面積織構，裂紋擴展速率最慢，如圖7(a)所示。

3 結 論

(1) 含鉺鋁鎂合金板材中織構隨軋制及熱處理工藝的改變而變化，隨著鋁合金板材軋制變形量的增加，板材中織構的含量急劇增加；退火溫度越高，板材中織構含量越少。

圖6 不同狀態鋁合金疲勞裂紋擴展路徑與晶粒間取向差角分布Fig.6 Fatigue crack propagation path(a,c,e) and misorientation angle distribution(b,d,f) for Al alloy under different heat treatment conditions

圖7 不同熱處理狀態鋁合金的疲勞裂紋擴展模型Fig.7 Models of fatigue crack propagation for Al alloy under different heat treatment conditions:(a) O state；(b) H32 state and(c) H116 state

(2) 含鉺鋁合金板材中疲勞裂紋總是傾向于沿Schmid因子較大的方向擴展，沿所需軸向應力較小的最易滑移面運動。

(3) 含鉺鋁合金板材中織構強烈影響疲勞裂紋擴展速率；板材中織構越多，則晶粒間取向差角越小，疲勞裂紋偏折角度越小，能量消耗越少，裂紋擴展路徑越短，疲勞裂紋擴展速率越快；合金板材中織構越少，晶粒間取向差角越大，疲勞裂紋偏折越厲害，能量消耗越大，裂紋擴展路徑越長，疲勞裂紋擴展速率越低。

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